摘 要：介紹了功率器件驅動模塊TLP250的結構和使用方法，給出了其與功率MOSFET和DSP控制器接口的硬件電路圖。在闡述IRF840功率MOSFET的開關特性的基礎上，設計了吸收回路。最后結合直流斬波調速技術，設計了基于TMS320LF2407 DSP的直流電動機全數字閉環調速系統，并給出了實驗結果。 關鍵詞：TLP250；IRF840 MOSFET；吸收回路；直流斬波；DSP 引言 功率集成電路驅動模塊是微電子技術和電力電子技術相結合的產物，其基本功能是使動力和信息合一，成為機和電的關鍵接口。快速電力電子器件MOSFET的出現，為斬波頻率的提高創造了條件，提高斬波頻率可以減少低頻諧波分量，降低對濾波元器件的要求，減少了體積和重量。采用自關斷器件，省去了換流回路，又可提高斬波器的頻率。 直流電動機的勵磁回路和電樞回路電流的自動調節常常采用功率MOSFET。功率MOSFET是一種多子導電的單極型電壓控制器件，具有開關速度快、高頻特性好、熱穩定性優良、驅動電路簡單、驅動功率小、安全工作區寬、無二次擊穿問題等顯著優點。目前，功率MOSFET的指標達到耐壓600V、電流70A、工作頻率100kHz的水平，在開關電源、辦公設備、中小功率電機調速中得到廣泛的應用，使功率變換裝置實現高效率和小型化。 因為主電路電壓均為高電壓、大電流情況，而控制單元為弱電電路，所以它們之間必須采取光電隔離措施，以提高系統抗干擾措施，可采用帶光電隔離的MOSFET驅動芯片TLP250。光耦TLP250是一種可直接驅動小功率MOSFET和IGBT的功率型光耦，由日本東芝公司生產，其最大驅動能力達1.5A。選用TLP250光耦既保證了功率驅動電路與PWM脈寬調制電路的可靠隔離，又具備了直接驅動MOSFET的能力，使驅動電路特別簡單。 TLP250的結構及驅動電路的設計 功率MOSFET驅動的難點主要體現在功率器件的特性、吸收回路和柵極驅動等方面，下面首先介紹TLP250的結構和引腳使用方法，然后分別介紹以上各項。 ● TLP250功率器件 東芝公司的專用集成功率驅動模塊TLP250包含一個GaA1As光發射二極管和一個集成光探測器，是8腳雙列封裝，適合于IGBT或功率MOSFET柵極驅動電路。TLP250的管腳如圖1所示，管腳接線方法如表1所示。 TLP250驅動主要具備以下特征：輸入閾值電流IF=5mA（max）；電源電流ICC=11mA（max）；電源電壓（VCC）=10～35V；輸出電流IO=±0.5A（min）；開關時間tpLH/tpHL=0.5μs（max）。 基于TMS320LF2407 DSP、TLP250、IRF840 MOSFET柵極驅動電路的直流調速系統的基本結構如圖1所示，如何對功率器件IRF840進行驅動是至關重要的，必須首先對此問題加以解決，然后才能在此基礎上對控制器進行設計。 ● 功率MOSFET的開關特性 IRF840 MOSFET電力場效應晶體管在導通時只有一種極性的載流子（多數載流子）參與導電，是單極型晶體管。電力場效應晶體管是用柵極電壓來控制漏極電流的，因此它的一個顯著特點是驅動電路簡單，驅動功率小。其第二個顯著特點是開關速度快，工作頻率高，電力MOSFET的工作頻率在下降時間主要由輸入回路時間常數決定。 MOSFET的開關速度和其輸入電容的充放電有很大關系。使用者雖然無法降低Cin的值，但可以降低柵極驅動回路信號源內阻Rs的值，從而減小柵極回路的充放電時間常數，加快開關速度。 IRF 840為單極型器件，沒有少數載流子的存儲效應，輸入阻抗高，因而開關速度可以提高，驅動功率小，電路簡單。但是，功率MOSFET的極間電容較大，因而工作速度和驅動源內阻抗有關。和GTR相似，功率MOSFET的柵極驅動也需要考慮保護、隔離等問題。 ● 吸收回路的設計 柵極驅動電路是勵磁回路和控制電路之間的接口，是勵磁回路控制裝置的重要環節，對整個控制性能有很大的影響。采用性能良好的吸收電路，可使功率MOSFET工作在較理想的開關狀態，縮短開關時間，減少開關損耗，對裝置的運行效率、可靠性、安全性都有重要的意義。另外，許多保護環節設在驅動電路或通過驅動電路來實現，也使得驅動電路的設計更為重要。 電力MOSFET是電壓控制型器件，靜態時幾乎不需要輸入電流，但由于柵極輸入電容Cin的存在，在開通和關斷過程中仍需要一定的驅動電流來給輸入電容充放電。柵極電壓UG的上升時間tr和采用放電阻止型緩沖電路，其緩沖電路電容CS可由式（1）求得。 （1） 式中，L為主回路雜散電感；I0為IGBT關斷時的漏極電流；VCEP為緩沖電容CS的電壓穩態值；Ed為直流電源電壓。緩沖電路電阻RS的選擇是按希望MOSFET在關斷信號到來之前，將緩沖電容所積累的電荷放凈。可由式（2）估算。 （2） 式中，f為開關頻率。 如果緩沖電路電阻過小，會使電流波動，MOSFET開通時的漏極電流初始值將會增大，因此，希望選取盡可能大的電阻，緩沖電阻上的功耗與其阻值無關，可由式（3）求出。 （3） 式中，LS是緩沖電路的電感。 經計算、匹配，選取圖2所示的緩沖電路和參數。 控制器的設計 控制器的設計主要包括硬件控制系統的設計和軟件的實現，下面從這兩方面加以闡述。 轉速閉環控制器的硬件設計 （1）整流回路的設計 直流電動機獲得直流電源是通過整流電路來實現的，本系統采用RS507型單相橋式集成整流電路。由于橋式整流電路實現了全波整流電路，它將整流信號的負半周也利用起來，所以在變壓器副邊電壓有效值相同的情況下，輸出電壓的平均值是半波整流電路的兩倍，見式（4）。 （4） （2）硬件整體回路的設計 控制系統的硬件整體結構圖如圖3所示，可見強電和弱電的分離是通過TLP250來實現的，其PWM控制信號經過轉速調節控制算法的解算之后，由TMS320LF2407的PWM口輸出。經過TLP250光耦，放大、整形之后驅動功率MOSFET（IRF840）。輸入電樞繞組的直流電壓經過PWM斬波調制之后，形成所需的控制直流電壓。正是通過TLP250來驅動功率器件的通斷，將設計者的控制思想通過功率器件的通斷來加以實現。 NR24穩壓器為TLP250提供24V的穩壓電源，保證其工作正常。當然，PWM信號是通過軟件運算通過TMS320LF2407器件來輸出的，這里由于篇幅所限，讀者可參考相應的書籍。 轉速閉環控制器的設計 （1）直流PWM脈寬調制技術 與傳統的直流調速技術相比較，PWM（脈寬調制技術）直流調速系統具有較大的優越性：主電路線路簡單，需要的功率元件少；開關頻率高，電流容易連續，諧波少，電機損耗和發熱都較小；低速性能好，穩速精度高，因而調速范圍寬；系統頻帶寬，快速響應性能好，動態抗干擾能力強；主電路元件工作在開關狀態，導通損耗小，裝置效率高。 本系統直流電動機回路采用門極可關斷功率全控式電力電子器件MOSFET，改變其負載兩端的直流平均電壓的調制方法采用脈沖調寬的方式，即主開關通斷的周期T保持不變，而每次通電時間t可變。實際上就是利用自關斷器件來實現通斷控制，將直流電源電壓斷續加到負載上，通過通、斷的時間變化來改變負載電壓平均值，亦稱直流-直流變換器。 （2）數字控制器的設計 圖4給出了轉速數字控制器的結構。為了實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統中設置了兩個調節器，分別調節轉速和電流，二者之間實行串級聯接。這就是說，把轉速調節器的輸出當作電流調節器的輸入，再用電流調節器的輸出去控制IRF840 MOSFET的觸發裝置，即TLP250輸入的PWM的占空比。 為了獲得良好的靜、動態性能，雙閉環調速系統的兩個調節器采用數字式PI調節器。計算如式（5）所示。 ——-u（k）=Kpe（k）+KlTsame（k）+ul（k-l） （5） ——-其中，Tsam為采樣周期。 實驗結論 本實驗設定電動機轉速的控制值為1500轉/分，電樞繞組的電阻為3.3Ω。到穩態的動態波形經過Gould Data SYS 944A示波器觀測如圖5所示。可見經過600ms即迅速建立到穩態，穩態精度為0.5%，靜態誤差僅為1～2轉/分。為了防止啟動時轉速超調，將比例系數P取得較小。從實驗結果可見功率MOSFET器件在直流電機轉速調節中得到了較好的應用。 同時通過觀測電樞回路續流二極管兩端的電壓，可以發現吸收回路工作正常，續流二極管兩端波形如圖6所示。 實驗調試過程中，應當對以下事項加以注意：在主電路，應當對斬波芯片采取散熱措施，提高電路工作可靠性，應加裝散熱片；為降低斬波電路中輸出電壓紋波，必須采取輸出濾波措施，可采取LC濾波；必須針對控制參數進行整定，從中找到對應的合理輸出電流值，以提高控制精度。